(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状体と、棒状体の一端に配される流体圧緩衝器とを有し、鉄道車両の屋根強度部材と床強度部材との間に介装されるスタンションポールにおいて、流体圧緩衝器を屋根強度部材に直接連結し、棒状体を床強度部材に連結するとともに、スタンションポール全体の等価減衰係数Ｃｅｑ、屋根強度部材と床強度部材との相対振動における振動周波数ｆ、流体圧緩衝器の作動流体の剛性ｋ１、棒状体の剛性ｋ２が次の関係を満たすように設定されてなることを特徴とするスタンションポール。
【数１】
0004541251.tif 000011
【請求項２】
スタンションポール全体の等価減衰係数Ｃｅｑ、屋根強度部材と床強度部材との相対振動における振動周波数ｆ、流体圧緩衝器の作動流体の剛性ｋ１、棒状体の剛性ｋ２が次の関係を満たすように流体圧緩衝器の作動流体の剛性ｋ１および棒状体の剛性ｋ２の一方または両方を設定してなることを特徴とする請求項１に記載のスタンションポール。
【数２】
0004541251.tif 000012
【請求項３】
流体圧緩衝器の減衰係数Ｃは、棒状体と流体圧緩衝器の作動流体の直列剛性をｋとすると、次の関係を満たすように設定されてなる請求項１または２に記載のスタンションポール。
【数３】
0004541251.tif 000013
【請求項４】
流体圧緩衝器がシリンダとシリンダ内に摺動自在に挿入されるピストンとを備え、作動流体の剛性ｋ１は、ピストン受圧面積とシリンダ内にピストンで区画される作動室の容積との比によって設定されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のスタンションポール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の屋根強度部材と床強度部材との間に介装されて屋根強度部材と床強度部材との相対振動を抑制するスタンションポールの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、鉄道の輸送力増強等の期待に応えるため鉄道車両は高速化の一途を辿っており、この鉄道車両の高速化に伴って車両の軽量化が図られている。
【０００３】
ここで車両の軽量化は、車両の高速化は勿論として消費電力を低減させる等、種々の利点があるが、特に車体を軽量化する場合には、車両における乗り心地の点では、車体を構成する屋根、壁、床の構造部材（本明細中、それぞれ「屋根強度部材」、「壁強度部材」、「床強度部材」という）の曲げ剛性が一般的に低下する傾向となるので、各強度部材の弾性振動が増加する。
【０００４】
そして、特に車両の軽量化による床強度部材の振動の増加は、乗客が敏感に知覚するところとなるので、車両における快適性を悪化させる一因となる。
【０００５】
そこで、上記各部材の振動を低減する方法として、乗客がつかまるための手摺や握り棒として利用されているスタンションポールと呼ばれる棒状体を、屋根強度部材と床強度部材との間に介装して上記振動を抑制しようとする提案がされている。この提案では、車体の屋根強度部材と床強度部材とをスタンションポールで連結し、車体の剛性を向上させることによって、屋根強度部材と床強度部材の各々の弾性振動を抑制して、車両における乗り心地悪化を改善することができる。
【０００６】
また、車体は一般的に前後方向に直方体形状として構成されているが、車両走行中に軌道高低狂い等によって車体が加振されると、前後方向に長い屋根強度部材と床強度部材は、波打つように撓み、入力される振動周波数によって、時には同位相で、時には位相差をもった振動モードで振動するが、スタンションポールに減衰作用を発揮するダンパ等を設けることにより、振動エネルギを吸収して、振動抑制効果を高めることによって、より一層の快適性の向上をも狙っている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１７８４２号公報（第４頁第１４行目から第５頁第１行目まで、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記提案では、減衰作用を発揮するものとして粘弾性ダンパ等を採用するところであるが、粘弾性ダンパは、安価ではあるが一般的には温度変化によって減衰特性が変化し、粉体ダンパは低周波数の振動に対してはフリクションが大きく求められる減衰作用を発揮することができない場合があることから、減衰力発生要素として上記不具合の無い流体圧緩衝器を使用することが考えられる。
【０００８】
ここで、従来のスタンションポールにあっては、棒状体と直列に流体圧緩衝器を接続して構成されることになり、流体圧緩衝器の作動流体、具体的にはたとえば、作動油等は、作動室内の容積変化によりバネ要素としても機能することから、このように構成されたスタンションポールは、棒状体と流体圧緩衝器の作動流体の２つのバネ要素を備えていることになる。
【０００９】
したがって、上記のように構成されたスタンションポール全体としての等価減衰係数は、棒状体と流体圧緩衝器の直列配置と、上記２つのバネ要素によって、流体圧緩衝器の固有の減衰係数より小さくなってしまい、狙った減衰効果を得ることができなくなってしまう場合があり、車両における快適性を満足させることができなくなってしまう可能性がある。
【００１０】
そこで、本発明は、上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、鉄道車両の屋根強度部材と床強度部材のそれぞれの振動を効果的に抑制可能なスタンションポールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した目的を解決するために、本発明における課題解決手段は、棒状体と、棒状体の一端に配される流体圧緩衝器とを有し、鉄道車両の屋根強度部材と床強度部材との間に介装されるスタンションポールにおいて、流体圧緩衝器を屋根強度部材に直接連結し、棒状体を床強度部材に連結するとともに、スタンションポール全体の等価減衰係数Ｃｅｑ、屋根強度部材と床強度部材との相対振動における振動周波数ｆ、流体圧緩衝器の作動流体の剛性ｋ１、棒状体の剛性ｋ２が次の関係を満たすように設定されてなることを特徴とする。
【数４】
0004541251.tif 000002
【発明の効果】
【００１２】
本発明のスタンションポールによれば、あらかじめ屋根強度部材と床強度部材との相対振動におけるある周波数の振動を低減するのに必要とされる等価減衰係数Ｃｅｑを決めた場合に、上記の関係を満たすように、作動流体の剛性ｋ１および棒状体の剛性ｋ２の一方または両方を設定すれば、流体圧緩衝器の減衰係数Ｃを適宜設定することで必要とされる等価減衰係数Ｃｅｑを実現できることになる。
【００１３】
したがって、このスタンションポールにあっては、スタンションポール全体の等価減衰係数Ｃｅｑ、屋根強度部材と床強度部材との相対振動における振動周波数ｆ、流体圧緩衝器の作動流体の剛性ｋ１、棒状体の剛性ｋ２が上記の関係を満たすように設定されるので、必要とされるスタンションポール全体の等価減衰係数Ｃｅｑを狙った値に設定することができることから、確実に狙った減衰効果を期待でき、鉄道車両の屋根強度部材と床強度部材のそれぞれの振動を効果的に抑制することができるようになるので、鉄道車両における快適性を満足させることができる。また、屋根強度部材に直接流体圧緩衝器を連結し、棒状体を床強度部材に連結するので、流体圧緩衝器の外径が大きくなっても、該流体圧緩衝器は、車体内の乗車スペースには何ら影響を与えず、乗客に干渉して乗客に不快感を与えることが無く、また、乗車定員にも何ら影響を与えずにすむ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明のスタンションポールを各図に基づいて説明する。図１は、屋根強度部材と床強度部材と間に一実施の形態におけるスタンションポールを介装した鉄道車両の車体の概略斜視図である。図２は、スタンションポールを概念的に示した図である。図３は、流体圧緩衝器の概略縦断面図である。図４は、屋根強度部材と床強度部材との間に一実施の形態におけるスタンションポールを介装した鉄道車両の概略横断面図である。図５は、等価減衰係数と流体圧緩衝器の減衰係数との関係を示す図である。図６は、屋根強度部材と床強度部材との間に一実施の形態の変形例におけるスタンションポールを介装した鉄道車両の車体の概略縦断面図である。
【００１５】
本発明の一実施の形態におけるスタンションポールＰは、図１、図２および図４に示すように、棒状体１と、流体圧緩衝器Ｄとを備え、棒状に形成され、鉄道車両Ｔの車体Ｂの屋根強度部材Ｌと床強度部材Ｆとの間に介装されている。
【００１６】
棒状体１は、管状に形成されても、中実に形成されてもよく、また、棒状体１の端部には、流体圧緩衝器Ｄが直列に接続されている。そして、スタンションポールＰは、流体圧緩衝器Ｄを屋根強度部材Ｌに直接連結し、棒状体１を床強度部材Ｆに連結して屋根強度部材Ｌと床強度部材Ｆとの間に介装されている。
【００１７】
さらに、流体圧緩衝器Ｄは、図３に示すように、両ロッド型の緩衝器として構成され、シリンダ２と、シリンダ２内に摺動自在に挿入されるピストン４と、シリンダ２内にピストンで隔成され作動流体が充満される２つの作動室Ｒ１，Ｒ２と、ピストン４に連結されシリンダ２内に移動自在に挿通されるロッド３とを備えて構成され、シリンダ２とロッド３の相対移動時に圧縮される作動室Ｒ１（Ｒ２）から膨張される作動室Ｒ２（Ｒ１）へ移動する作動流体にオリフィス、リーフバルブ等の減衰力発生要素５を通過させることによって所定の圧力損失を生じせしめ、上記相対移動を抑制する所定の減衰力を発生可能なようになっている。
【００１８】
なお、作動流体は、液体でも気体でもよいが、一般的には体積弾性係数が大きい油を用いるとよい。また、流体に電気粘性流体を使用する場合には、流体圧緩衝器Ｄを上記圧力損失に加えて流体の粘度変化によっても減衰力を可変にすることができるように設定するようにしてもよい。さらに、上述したところでは、流体圧緩衝器Ｄは、両ロッド型とされているが、片ロッド型とされてもよい。
【００１９】
そして、この流体圧緩衝器Ｄは、ロッド３の図２中下端を棒状体１に連結することで、棒状体１と一体化されている。また、流体圧緩衝器Ｄは、シリンダ２の上端に結合されるとともにロッド３が進退可能なように挿通される筒体６を備えており、この筒体６を屋根強度部材Ｌに、棒状体１の下端を床強度部材Ｆに連結することで、スタンションポールＰが屋根強度部材Ｌと床強度部材Ｆとの間に介装される。
【００２０】
他方、鉄道車両Ｔは、図１および図４に示すように、車体Ｂと複数の台車Ｇとを備えて構成され、車体Ｂと台車Ｇとの間にはバネ要素と緩衝器を並列配置して構成されるサスペンション装置１０が介装され、また、台車Ｇは、両端に車輪Ｗｈを備えた輪軸Ｓにバネ要素と緩衝器を並列配置して構成されるサスペンション装置１１によって弾性的に支持されている。
【００２１】
なお、図１に示したところでは、車体Ｂの３箇所にスタンションポールＰがそれぞれ介装されているが、床強度部材Ｆの振動抑制に適するようにスタンションポールＰの設置数は適宜変更することができる。
【００２２】
また、スタンションポールＰの上方に屋根強度部材Ｌの一部として車体Ｂ内の気温を制御する図示しないエアコンディショナーが設けられている場合には、スタンションポールＰの上端を上記エアコンディショナーに直接連結するとしてもよい。
【００２３】
さて、上記のように構成された鉄道車両Ｔが図示しない軌道上を走行する場合、軌道の狂い等によって、車輪Ｗｈに上下方向に振動すると、この振動は、サスペンション装置１１を介して台車Ｇに伝播し、さらに、この台車Ｇの振動がサスペンション装置１０を介して車体Ｂに伝播されることになる。
【００２４】
車体Ｂは、屋根強度部材Ｌと床強度部材Ｆと４つの壁強度部材Ｗとで構成され、直方体形状を成しており、上記のように加振されると、車両進行方向に長い屋根強度部材Ｌと床強度部材Ｆは、波打つように撓み、入力される振動の周波数によって、時には同位相で、時には位相差をもった振動モードで振動する。
【００２５】
そして、スタンションポールＰは、屋根強度部材Ｌと床強度部材Ｆとを連結しており、棒状体１がバネ要素として機能し、また、流体圧緩衝器Ｄが屋根強度部材Ｌと床強度部材Ｆとの相対移動を抑制する減衰力を発揮するので、屋根強度部材Ｌと床強度部材Ｆの振動を抑制することができるのであるが、流体圧緩衝器Ｄの作動流体は、シリンダ２内の圧力が変化すると自身の体積にも変化が生じてバネ要素として作用することになる。
【００２６】
すなわち、このスタンションポールＰには、弾性体である棒状体１と作動流体の２つのバネ要素を備えていることから、スタンションポール全体が屋根強度部材Ｌと床強度部材Ｆとの相対振動速度に対して屋根強度部材Ｌと床強度部材Ｆのそれぞれに作用させる減衰力に関係する等価減衰係数Ｃｅｑに影響を与え、上記等価減衰係数Ｃｅｑは、流体圧緩衝器Ｄの減衰係数Ｃとは異なった値をとることになる。
【００２７】
そして、等価減衰係数Ｃｅｑと、流体圧緩衝器Ｄの減衰係数Ｃとの関係は、屋根強度部材Ｌと床強度部材Ｆとの相対振動における振動周波数をｆ、棒状体１と作動流体の直列剛性をｋとすると、式（１）で表すことができる。
【数５】
0004541251.tif 000003
なお、棒状体１と作動流体の直列剛性ｋ、流体圧緩衝器Ｄの作動流体の剛性ｋ１および棒状体１の剛性ｋ２は、式（２）の関係を有する。
【数６】
0004541251.tif 000004
また、作動流体の剛性ｋ１は、流体圧緩衝器Ｄのピストンの受圧面積Ａと、作動流体の体積弾性係数Ｋと、流体圧緩衝器Ｄの作動室Ｒ１，Ｒ２内の容積Ｖと、式（３）のような関係を有している。
【数７】
0004541251.tif 000005
つまり、等価減衰係数Ｃｅｑは、式（１）から作動流体とスタンションポールＰの直列剛性ｋの値が大きければ大きいほど、大きな値を採りうることが理解できる。また、式（１）から、等価減衰係数Ｃｅｑは、流体圧緩衝器Ｄの減衰係数Ｃが、式（４）の関係を満たすとき、式（５）で示される極大値を採ることがわかる。
【数８】
0004541251.tif 000006
【数９】
0004541251.tif 000007
すなわち、等価減衰係数Ｃｅｑと上記直列剛性ｋとの間には、式（６）の関係があり、等価減衰係数は、必ず、式（５）の極大値以下の値しか採りえない。
【数１０】
0004541251.tif 000008
この式（６）の直列剛性ｋに式（２）を代入して変形すると、作動流体の剛性ｋ１と、棒状体１の剛性ｋ２と、等価減衰係数Ｃｅｑと、屋根強度部材Ｌと床強度部材Ｆとの相対振動における振動周波数ｆは、式（７）に示した関係を満たさなくてはならないことになる。
【数１１】
0004541251.tif 000009
すなわち、あらかじめ屋根強度部材Ｌと床強度部材Ｆとの相対振動におけるある周波数の振動を低減するのに必要とされる等価減衰係数Ｃｅｑを決めた場合に、上記式（７）の関係を満たすように、作動流体の剛性ｋ１および棒状体１の剛性ｋ２の一方または両方を設定すれば、流体圧緩衝器Ｄの減衰係数Ｃを式（１）に則って適宜設定することで必要とされる等価減衰係数Ｃｅｑを実現できることになる。
【００２８】
したがって、本実施の形態におけるスタンションポールＰにあっては、スタンションポール全体の等価減衰係数Ｃｅｑ、屋根強度部材Ｌと床強度部材Ｆとの相対振動における振動周波数ｆ、流体圧緩衝器の作動流体の剛性ｋ１、棒状体１の剛性ｋ２が式（７）を満たすように設定されるので、必要とされるスタンションポールＰ全体の等価減衰係数Ｃｅｑを狙った値に設定することができることから、確実に狙った減衰効果を期待でき、鉄道車両Ｔの屋根強度部材Ｌと床強度部材Ｆの振動を効果的に抑制することができるようになるので、鉄道車両Ｔにおける快適性を満足させることができる。
【００２９】
ここで、式（２）から理解できるように、直列剛性ｋは、作動流体の剛性ｋ１および棒状体１の剛性ｋ２が大きければ大きいほど、大きな値となり、式（１）から直列剛性ｋが大きければ大きいほど、等価減衰係数Ｃｅｑも大きな値を採りうるようになる。
【００３０】
また、棒状体１を剛性ｋ２が比較的高い金属とすると、作動流体の剛性ｋ１は、棒状体１の剛性ｋ２より、一般的には充分小さいので、直列剛性ｋの値を大きくするには、作動流体の剛性ｋ１を大きくすることが効果的である。
【００３１】
つまり、式（１）から理解できるように、等価減衰係数Ｃｅｑは、流体圧緩衝器Ｄの減衰係数Ｃに低減率α（α＜１）を乗じた小さな値となるが、直列剛性ｋを大きくしておくことで、低減率αを１に近づけて等価減衰係数Ｃｅｑの流体圧緩衝器Ｄの減衰係数Ｃに対する落ち込みを低減することができ、特に、作動流体の剛性ｋ１の調整によって直列剛性ｋを設定する場合には、上述のように、等価減衰係数Ｃｅｑの流体圧緩衝器Ｄの減衰係数Ｃに対する落ち込みを効果的に低減することができる。
【００３２】
そして、作動流体の剛性ｋ１は、式（３）から、流体圧緩衝器Ｄのピストン受圧面積Ａの二乗に比例し、作動室内容積Ｖに反比例することから、できるだけ流体圧緩衝器Ｄの受圧面積Ａを大きくし作動室内容積Ｖを小さくすることで、作動流体の剛性ｋ１を大きくすることができる。
【００３３】
このように作動流体の剛性ｋ１を流体圧緩衝器Ｄのピストン受圧面積Ａと作動室内容積Ｖによって設定することで、作動流体の剛性ｋ１を任意に設定することができ、上記低減率αを大きくすることができ、また、作動流体の剛性ｋ１の設定が簡易である。したがって、等価減衰係数Ｃｅｑの流体圧緩衝器Ｄの減衰係数Ｃに対する落ち込みを低減することができ、効率的なスタンションポールＰを実現することができる。
【００３４】
さて、上述のように、式（７）の関係を満たせば、必要とされる等価減衰係数Ｃｅｑを実現できるのであるが、等価減衰係数Ｃｅｑは、流体圧緩衝器Ｄの減衰係数Ｃ＝ｋ／（２・π・ｆ）のときに、流体圧緩衝器Ｄの減衰係数Ｃの二分の一の値となる極大値ｋ／（４・π・ｆ）を採り、ある屋根強度部材Ｌと床強度部材Ｆとの相対振動における振動周波数ｆ、ある直列剛性ｋとしたときの等価減衰係数Ｃｅｑと流体圧緩衝器Ｄの減衰係数Ｃの関係は、図５に示すような、上に凸の曲線を描くことになる。
【００３５】
つまり、極大値以外の等価減衰係数Ｃｅｑに対しては、それを満足する減衰係数Ｃはｋ／（２・π・ｆ）の値を境にして大小の二つ存在することになる。
【００３６】
ここで、本実施の形態におけるスタンションポールＰでは、流体圧緩衝器Ｄの減衰係数Ｃは、式（８）を満たすように設定してある。
【数１２】
0004541251.tif 000010
【００３７】
したがって、本実施の形態におけるスタンションポールＰの流体圧緩衝器Ｄは、上記等価減衰係数Ｃｅｑを満足する大小２つの減衰係数のうち、必ず小さい値を採るように設定されることになる。
【００３８】
一般的に、流体圧緩衝器の減衰係数を大きくするには、伸縮作動時の２つの作動室Ｒ１，Ｒ２内の圧力差を大きくする必要があり、その分大きな圧力に耐えうるように、シリンダ２の端部、外周部の肉厚を厚くしたり、ロッド３の強度をあげるためにロッド径を太くしたりする必要がある。
【００３９】
すなわち、上記のように、流体圧緩衝器Ｄの減衰係数Ｃが上記等価減衰係数Ｃｅｑを満足する大小２つの減衰係数のうち、必ず小さい値に設定されることで、必要な等価減衰係数Ｃｅｑを満足する減衰係数Ｃを小さくすることができ、不必要に流体圧緩衝器の重量増加を招かず、また、流体圧緩衝器Ｄのコストを低減でき、効率的なスタンションポールＰを実現することができる。
【００４０】
なお、上述したように、作動流体の剛性ｋ１を大きく設定する上で、流体圧緩衝器Ｄのピストン受圧面積Ａを大きくし作動室内容積Ｖを小さくすることで、等価減衰係数Ｃｅｑの流体圧緩衝器Ｄの減衰係数Ｃに対する落ち込みを効果的に低減することが可能であるが、そのように設定すると、流体圧緩衝器Ｄの外径が大きくなることになる。
【００４１】
そこで、本実施の形態のスタンションポールＰは、図示したところでは、屋根強度部材Ｌに直接流体圧緩衝器Ｄを連結し、棒状体１を床強度部材Ｆに連結するとして、屋根強度部材Ｌと床強度部材Ｆとの間に介装されている。
【００４２】
したがって、流体圧緩衝器Ｄの外径が大きくなっても、該流体圧緩衝器Ｄは、車体Ｂ内の乗車スペースには何ら影響を与えず、乗客に干渉して乗客に不快感を与えることが無く、また、乗車定員にも何ら影響を与えずにすむ。
【００４３】
また、図示したところでは、流体圧緩衝器Ｄを直接に屋根強度部材Ｌに連結しているが、棒状体１の中間部の上方であって乗客に干渉しない位置に流体圧緩衝器Ｄを介装するようにしても、乗車スペース、乗車定員への影響、乗客に不快感を与えることを無くすることができる。
【００４４】
さらに、図６に示した参考例におけるスタンションポールＰ１のように、車体Ｂを構成する構造体としての床強度部材Ｆの上方に、乗客が乗るフロアを設けて、該フロア２０と床強度部材Ｆとの間に流体圧緩衝器Ｄの搭載スペースが確保される場合には、床強度部材Ｆに直接にまたは棒状体１を介して流体圧緩衝器Ｄを連結して上記該フロア２０と床強度部材Ｆとの間に流体圧緩衝器Ｄを収納しておくようにしてもよい。
【００４５】
この場合にも、乗客はフロア２０上に搭乗することになり、乗客の足元で流体圧緩衝器Ｄが邪魔となるようなことが無く、乗車スペース、乗車定員への影響、乗客に不快感を与えることを無くすることができる。
【００４６】
以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】屋根強度部材と床強度部材と間に一実施の形態におけるスタンションポールを介装した鉄道車両の車体の概略斜視図である。
【図２】スタンションポールを概念的に示した図である。
【図３】流体圧緩衝器の概略縦断面図である。
【図４】屋根強度部材と床強度部材との間に一実施の形態におけるスタンションポールを介装した鉄道車両の概略横断面図である。
【図５】等価減衰係数と流体圧緩衝器の減衰係数との関係を示す図である。
【図６】屋根強度部材と床強度部材との間に参考例におけるスタンションポールを介装した鉄道車両の車体の概略縦断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  棒状体
２  シリンダ
３  ロッド
４  ピストン
５  減衰力発生要素
６  筒体
１０，１１  サスペンション装置
２０  フロア
Ｂ  車体
Ｄ  流体圧緩衝器
Ｆ  床強度部材
Ｇ  台車
Ｌ  屋根強度部材
Ｐ，Ｐ１  スタンションポール
Ｒ１，Ｒ２  作動室
Ｓ  輪軸
Ｔ  鉄道車両
Ｗ  壁強度部材
Ｗｈ  車輪
【図１】
0004541251.tif 000014
【図２】
0004541251.tif 000015
【図３】
0004541251.tif 000016
【図４】
0004541251.tif 000017
【図５】
0004541251.tif 000018
【図６】
0004541251.tif 000019